一：超声波模块知识分享：

HC-SR04超声波传感器是通过发送和接收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离的一种传感器模块。与蝙蝠寻找猎物的回声定位基本原理相同，可以广泛应用于无损测量、水文液位测量、工业场地等领域。

二：实物图片如下所示：

模块工作原理如下所示：

在 TRIG 管脚输入一个 10US 以上的高电平(一般建议 50Us 左右)，芯片(TP，TN管脚)便可发出8个 40KHZ的超声波脉冲，然后(RP，RN)检测回波信号。当检测到回波信号后，通过 ECHO 管脚输出，如图所示。

根据 ECHO 管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值。即距离值为:(高电平时间*340m/s)/2。

当测量距离超过测量范围时，CS100A 仍会通过 ECHO 管脚输出高电平的信号，高电平的宽度约为 33ms。如下图所示：

测量周期:当芯片通过 ECHO 管脚输出的高电平脉冲后，便可进行下一次测量，所以测量周期取决于测量距离，当测距很近时，ECHO 返回的脉冲宽度较窄，测量周期就很短;当测距较远时，ECHO 返回的脉冲宽度较宽，测量周期也就相应的变长。最坏情况下，被测物体超出测量范围，此时返回的脉冲宽度最长，约为33ms，所以最坏情况下的测量周期大于 33ms 即可(比如测量周期可取 50ms)。

三：程序编写流程如下：

3.1 程序编写：

3.1.1初始化CPU外设信息，串口1完成数据的输出显示

3.1.2.初始化定时器，同时配置 TRIG 和 ECHO 脚的配置，采用外部中断与定时器计时功能。

3.1.3.TRIG 脚循环输出一个大于 10us 的高电平，触发 CS100A 芯片发射超声波

3.1.4.联合外部中断的上升沿和下降沿时间，带入公式 距离(m)=高电平持续时间(s)*声速(340m/s)/2，算出距离值

3.1.5.串口输出位移测量的距离信息，同时可以测量出距离信息。

四：软件代码实现如下：

总体思路：

ECHO 引脚配置为 GPIO 输入并开启双边沿外部中断，

CTIMER0 定时器以 1MHz 频率（1 个计数 = 1us）自由运行；

当 ECHO 出现上升沿时进入中断并读取定时器计数值作为计时起点，出现下降沿时再次进入中断读取计数值作为计时终点，两者之差即为回波高电平持续时间；

最后代入公式 距离(m) = 高电平持续时间(s) × 声速(340m/s) ÷ 2 计算距离，并通过串口输出。

4.1 硬件连接与资源分配

开发板外设资源分配如下表所示（TRIG / ECHO 引脚可按实际接线修改，见 4.2 代码顶部宏定义）：

4.2 完整工程代码（main.c）

本工程基于 MCUXpresso SDK 的 FRDM-MCXA153 例程（如 hello_world）修改

/*
 * 文件名：main.c
 * 适用平台：NXP FRDM-MCXA153（MCXA153VLH，Cortex-M33，96MHz）
 * 功能说明：读取 HC-SR04 超声波模块，测量并串口输出距离
 * 实现思路：GPIO 外部中断 + CTIMER0 定时器计时（对应第三章 3.1.1 ~ 3.1.5）
 *  - ECHO 上升沿中断：读取 CTIMER0 计数值（计时起点）
 *  - ECHO 下降沿中断：读取 CTIMER0 计数值（计时终点）
 *  - 距离 = 高电平时间(us) × 声速(340m/s) ÷ 2
 */

#include "fsl_common.h"
#include "fsl_gpio.h"
#include "fsl_port.h"
#include "fsl_ctimer.h"
#include "fsl_debug_console.h"
#include "clock_config.h"
#include "pin_mux.h"

/*============================================================================
 * 宏定义：引脚与测量参数（按实际接线修改）
 *==========================================================================*/
/* TRIG 触发脚：GPIO 输出 */
#define HCSR04_TRIG_PORT        PORT3
#define HCSR04_TRIG_GPIO        GPIO3
#define HCSR04_TRIG_PIN         28U

/* ECHO 回波脚：GPIO 输入 + 双边沿外部中断 */
#define HCSR04_ECHO_PORT        PORT3
#define HCSR04_ECHO_GPIO        GPIO3
#define HCSR04_ECHO_PIN         27U
#define HCSR04_ECHO_IRQ         GPIO3_IRQn            /* ECHO 所在端口的 NVIC 中断号 */
#define HCSR04_ECHO_IRQ_HANDLER GPIO3_IRQHandler      /* 外部中断服务函数名 */

/* CTIMER0：32 位定时器，1MHz 计数（1 个计数 = 1us） */
#define HCSR04_TIMER            CTIMER0
#define HCSR04_TIMER_PRESCALE   11U   /* 12MHz / (11+1) = 1MHz */

#define HCSR04_TRIG_PULSE_US     20U     /* 触发高电平宽度，必须大于 10us */
#define HCSR04_MEASURE_PERIOD_US 50000U  /* 测量周期 50ms，大于最大回波 33ms */
#define HCSR04_ECHO_TIMEOUT_US   40000U  /* 回波超时 40ms，防止程序卡死 */
#define HCSR04_MIN_PULSE_US      50U     /* 有效回波最小脉宽（约 0.9cm 盲区） */
#define HCSR04_MAX_PULSE_US      30000U  /* 有效回波最大脉宽（约 5.1m 量程） */

/* 声速 340m/s（20℃ 空气中近似值） */
#define SOUND_SPEED             340U

/*============================================================================
 * 全局变量（供中断服务函数与主循环共享，需加 volatile）
 *==========================================================================*/
static volatile uint32_t s_echoStartTick = 0U;   /* 上升沿时刻计数值 */
static volatile uint32_t s_echoEndTick   = 0U;   /* 下降沿时刻计数值 */
static volatile bool     s_echoValid     = false;/* 本次回波测量是否完成 */
static volatile uint8_t  s_echoState     = 0U;   /* 0=空闲 1=等待上升沿 2=等待下降沿 */

/*============================================================================
 * CTIMER0 初始化：配置为自由运行计数，计数频率 1MHz
 *==========================================================================*/
static void HCSR04_TimerInit(void)
{
    ctimer_config_t config;

    /* 为 CTIMER0 提供 12MHz 时钟（FRO12M），并配置预分频
     * （若所用 SDK 版本枚举名不同，以 Config Tools 生成结果为准） */
    CLOCK_SetClockDiv(kCLOCK_DivCTimer0, 1U);
    CLOCK_AttachClk(kFRO12M_to_CTIMER0);

    CTIMER_GetDefaultConfig(&config);
    config.prescale = HCSR04_TIMER_PRESCALE;    /* 12MHz/12 = 1MHz，即 1us 计数一次 */
    CTIMER_Init(HCSR04_TIMER, &config);
    CTIMER_StartTimer(HCSR04_TIMER);            /* 启动自由运行计数 */
}

/*============================================================================
 * GPIO 初始化：TRIG 输出、ECHO 输入 + 双边沿外部中断
 *==========================================================================*/
static void HCSR04_GPIOInit(void)
{
    gpio_pin_config_t trigConfig = { kGPIO_DigitalOutput, 0U };
    gpio_pin_config_t echoConfig = { kGPIO_DigitalInput,  0U };

    /* 引脚复用为 GPIO（复位后默认为 GPIO，可省略） */
    PORT_SetPinMux(HCSR04_TRIG_PORT, HCSR04_TRIG_PIN, kPORT_MuxAsGpio);
    PORT_SetPinMux(HCSR04_ECHO_PORT, HCSR04_ECHO_PIN, kPORT_MuxAsGpio);

    GPIO_PinInit(HCSR04_TRIG_GPIO, HCSR04_TRIG_PIN, &trigConfig);
    GPIO_PinInit(HCSR04_ECHO_GPIO, HCSR04_ECHO_PIN, &echoConfig);

    /* ECHO 配置双边沿外部中断，并打开 NVIC 总开关 */
    GPIO_SetPinInterruptConfig(HCSR04_ECHO_GPIO, HCSR04_ECHO_PIN, kGPIO_InterruptEitherEdge);
    EnableIRQ(HCSR04_ECHO_IRQ);

    GPIO_PinWrite(HCSR04_TRIG_GPIO, HCSR04_TRIG_PIN, 0U);
}

/*============================================================================
 * ECHO 外部中断服务函数：上升沿记录计时起点，下降沿记录计时终点
 *==========================================================================*/
void HCSR04_ECHO_IRQ_HANDLER(void)
{
    uint32_t flags = GPIO_PortGetInterruptFlags(HCSR04_ECHO_GPIO);

    if (flags & (1UL << HCSR04_ECHO_PIN))
    {
        uint32_t pinState = GPIO_PinRead(HCSR04_ECHO_GPIO, HCSR04_ECHO_PIN);

        switch (s_echoState)
        {
            case 1U:                              /* 等待上升沿 */
                if (pinState != 0U)
                {
                    s_echoStartTick = CTIMER0->TC; /* 上升沿：记录计时起点 */
                    s_echoState = 2U;
                }
                break;

            case 2U:                              /* 等待下降沿 */
                if (pinState == 0U)
                {
                    s_echoEndTick = CTIMER0->TC;  /* 下降沿：记录计时终点 */
                    s_echoValid = true;
                    s_echoState = 0U;
                }
                break;

            default:
                break;
        }

        /* 清除中断标志，避免重复进入中断 */
        GPIO_GpioClearInterruptFlags(HCSR04_ECHO_GPIO, 1UL << HCSR04_ECHO_PIN);
    }

    SDK_ISR_EXIT_BARRIER;
}

/*============================================================================
 * 触发一次测量并等待回波完成（带超时保护）
 * 返回回波高电平持续时间（us）；超时返回 0
 *==========================================================================*/
static uint32_t HCSR04_MeasurePulse(void)
{
    uint32_t timeoutStart;

    s_echoValid = false;
    s_echoState = 0U;
    GPIO_GpioClearInterruptFlags(HCSR04_ECHO_GPIO, 1UL << HCSR04_ECHO_PIN);

    /* 若 ECHO 当前为低电平，则准备等待上升沿 */
    if (GPIO_PinRead(HCSR04_ECHO_GPIO, HCSR04_ECHO_PIN) == 0U)
    {
        s_echoState = 1U;
    }

    /* 3.1.3：TRIG 输出大于 10us 的高电平，触发芯片发射超声波 */
    GPIO_PinWrite(HCSR04_TRIG_GPIO, HCSR04_TRIG_PIN, 1U);
    SDK_DelayAtLeastUs(HCSR04_TRIG_PULSE_US, SystemCoreClock);
    GPIO_PinWrite(HCSR04_TRIG_GPIO, HCSR04_TRIG_PIN, 0U);

    /* 等待外部中断完成计时（上升沿 + 下降沿），或超时退出 */
    timeoutStart = CTIMER0->TC;
    while (!s_echoValid)
    {
        if ((uint32_t)(CTIMER0->TC - timeoutStart) > HCSR04_ECHO_TIMEOUT_US)
        {
            s_echoState = 0U;
            return 0U;                            /* 超时：无回波 */
        }
    }

    return s_echoEndTick - s_echoStartTick;       /* 高电平持续时间（us） */
}

/*============================================================================
 * 主函数
 *==========================================================================*/
int main(void)
{
    BOARD_InitHardware();                          /* 3.1.1：CPU 外设、时钟与串口初始化 */

    PRINTF("\r\n========== FRDM-MCXA153 HC-SR04 超声波测距 ==========\r\n");

    HCSR04_TimerInit();                            /* 3.1.2：初始化定时器 */
    HCSR04_GPIOInit();                             /* 3.1.2：配置 TRIG/ECHO 脚与外部中断 */

    while (1)
    {
        uint32_t pulseUs = HCSR04_MeasurePulse();

        if (pulseUs == 0U)
        {
            PRINTF("无回波（超时）\r\n");
        }
        else if (pulseUs < HCSR04_MIN_PULSE_US)
        {
            PRINTF("距离过近（盲区）\r\n");
        }
        else if (pulseUs > HCSR04_MAX_PULSE_US)
        {
            PRINTF("超出测量范围\r\n");
        }
        else
        {
            /* 3.1.4：距离(m) = 高电平时间(s) × 声速(340m/s) ÷ 2
             * 换算成十分之一厘米：十分之一厘米 = 脉宽(us) × 340 ÷ 2000
             * 例：脉宽 1494us → 1494×340÷2000 = 254，即 25.4cm */
            uint32_t distTenthsCm = (uint32_t)(((uint64_t)pulseUs * SOUND_SPEED) / 2000U);

            /* 3.1.5：串口输出距离信息 */
            PRINTF("Distance: %u.%u cm   (Echo pulse: %u us)\r\n",
                   distTenthsCm / 10U,
                   distTenthsCm % 10U,
                   (unsigned int)pulseUs);
        }

        /* 测量周期 50ms：大于最坏情况下的回波宽度 33ms */
        SDK_DelayAtLeastUs(HCSR04_MEASURE_PERIOD_US, SystemCoreClock);
    }
}

4.3 代码与第三章流程的对应说明

3.1.1 初始化CPU外设信息，串口1完成数据的输出显示 —— main 函数中调用 BOARD_InitHardware() 完成系统时钟、引脚复用等外设初始化；调试串口使用板载 USB 虚拟串口（LPUART0，115200-8-N-1），代码中使用 PRINTF 输出测距数据。

3.1.2 初始化定时器，配置 TRIG 和 ECHO 脚，采用外部中断与定时器计时功能 —— HCSR04_TimerInit() 将 CTIMER0 配置为 1MHz 自由运行计数；HCSR04_GPIOInit() 将 TRIG 配置为 GPIO 输出、ECHO 配置为 GPIO 输入并开启双边沿外部中断（本例为 GPIO3_IRQn）。

3.1.3 TRIG 脚循环输出一个大于 10us 的高电平，触发芯片发射超声波 —— HCSR04_MeasurePulse() 中令 TRIG 输出 20us 高电平（大于 10us），触发 HC-SR04 芯片发射 8 个 40kHz 超声波脉冲，同时 ECHO 被拉高开始回波计时。

3.1.4 联合外部中断的上升沿和下降沿时间，带入公式计算距离 —— 中断服务函数 HCSR04_ECHO_IRQ_HANDLER 中：上升沿时读取 CTIMER0 计数值作为计时起点，下降沿时读取计数值作为计时终点，脉宽 = 终点 − 起点；主循环将脉宽代入 距离 = 脉宽 × 声速 ÷ 2 计算距离值。

3.1.5 串口输出位移测量的距离信息 —— 主循环每 50ms 触发一次测量，通过 PRINTF 串口输出距离值；测量周期大于第二章所述最坏情况 33ms 的回波宽度，保证每次测量互不干扰。

4.4 编译烧录与运行结果

编译烧录步骤：

1. 在 keil中导入 FRDM-MCXA153 的 hello_world 例程（SDK 26.x）。

2. 将工程中的 main.c 替换为 4.2 节代码；CTIMER0 时钟（FRO 12MHz、预分频 11）与引脚配置也可用 Config Tools 图形化生成。

3. 编译并烧录到开发板，打开串口助手（波特率 115200，8N1）。

注意事项：

若 40ms 内未收到回波，串口输出“无回波（超时）”；ECHO 高电平超过 30ms 时判为“超出测量范围”（对应第二章介绍的约 33ms 回波情况）。

TRIG / ECHO 引脚按实际接线修改代码顶部宏定义；若 ECHO 改接到其他 GPIO 端口，中断号与中断服务函数名需同步修改（GPIO0_IRQn/GPIO0_IRQHandler … GPIO3_IRQn/GPIO3_IRQHandler）。

计时精度：1MHz 计数（1us）分辨率下，单个计数的距离误差约 0.017cm（340m/s × 1us ÷ 2），与第五章分析一致；实际误差还受环境温度（声速变化）与 ECHO 边沿抖动影响。

若希望进一步降低 CPU 开销，可改用 CTIMER0 的输入捕获功能（硬件自动记录边沿时刻，无需在中断中读取计数值），可参考 SDK 中 ctimer 输入捕获例程。

五：感想如下：

这里使用的定时器来读取返回的时候，之前使用定时器做过基本的计数，PWM输出可调脉宽、频率，输入捕获等等功能，在本次任务中，本想使用定时器的输入捕获功能，但是考虑到编写代码对于一些刚刚接触STM32的，不方便理解，这里我是用定时器+外部中断的方式来获取时间，即检测到某个IO口的上升沿来启动定时器，检测到下降沿的时候关闭定时器，同时读取定时器内部的计数值。由于超声波是往返过程，需要进行平分处理，得到当前超声波检测的数据即可。在开始调试代码的时候，发现定时器配置参数不合适，倒是检测的误差有点大，最后测试在1us的时间间隔内进行进入定时器的中断计数，这样误差在每个脉冲0.034cm。由于超声波模块测量的最大距离是5.6m。考虑到超声波在空气中传播速度因素，以及定时器计数的时间间隔因素，都是影响测量的精度。